美国宇航局航天器发现水星有一层10英里厚的钻石

By Robert Lea

 published 7 hours ago

Mercury

美国宇航局的信使号使命已经揭示了太阳系最小、离太阳最近的行星水星隐藏着一个大秘密。

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（左）用来自信使号在主要使命期间彩色基映射成像活动的图像生成的水星的一个彩色观望。（右）如果剥去它的外层来暴露10英里厚的钻石层水星可能看起来是什么样子。(Image credit: Robert Lea (created with Canva)/NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington)

太阳系最小的行星可能正在隐藏一个大秘密。用来自美国宇航局的信使号航天器的数据，科学家们已经确定这颗距离太阳最近的行星在它的地壳下可能躺着一个10英里厚的钻石地幔。

水星长期以来一直困扰着科学家，因为它占有许多对其他太阳系行星不是常见的质。这些包括它的非常黑暗的表面、惊人致密的核和水星的火山时代的过早结束。

在这些难题中还有石墨的块，一种太阳系最内层行星的表面上的碳（或“同素异形体”）。这些块已经导致科学家们来提出在水星的早期历史中，这颗微小行星有过一个富含碳的岩浆海洋。这片海洋会已经浮到表面，创造石墨块和水星的表面的深阴影色彩。

同样的过程也已经导致一个在地表下富含碳地幔的形成。这些发现背后的团队认为这个地幔不是之前怀疑的石墨烯，而是由另一种远更珍贵的碳同素异形体钻石组成。

鲁汶大学副教授、团队成员奥利维耶·纳穆尔告诉太空网站，“我们计算鉴于在地幔-核边界上压力的新估计并知道水星是一颗富含碳的行星，在地幔和核之间的界面上承载的碳矿物是钻石而不是石墨。我们的研究使用了由美国宇航局信使号航天器收集的地球物理数据” 。

信使号（水星表面、空间环境、地球化学和测距）于2004年8月发射，变成第一艘来绕水星环绕的航天器。该使命于2015年结束，映射了整个微小的世界，在两极的阴影中发现了丰富的水冰并收集了关于水星的地质和磁场的关键数据。

由美国宇航局局的信使号随飞船在首次飞越水星后离开水星拍摄的水星的高分辨率马赛克图像。 (Image credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington)

压力之下！

这项新研究还相关到几年前当科学家重新评估水星上的质量分布时来到的一个重大惊奇，发现这颗微小行星的地幔比以前想的更厚。

纳穆尔说，“我们直接的认为这一定对在水星上碳、钻石对石墨的物种形成（一种元素或一种同素异形体在一个系统中化学物种中的分布）有一个宏大的影响”。

艺术家的美国宇航局的信使号航天器在水星轨道上的印象。信使号于2011年3月抵达太阳系最内层的行星。 (Image credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington)

该团队在地球上这里通过用一个大体积压力机来复制水星内部存在的压力和温度调查了这个。他们对一种在水星地幔中发现的物质起一个代理作用的合成硅酸盐施加了难以置信的超过7千兆帕量的压力，取得高达3950华氏度（2177摄氏度）的温度。

这允许他们来研究在这些条件下在水星地幔中已经发现的那些矿物在它的早期存在中如何变化了。他们还用计算机建模来评估关于水星内部的数据，这给了他们水星的钻石地幔可能如何已经被创造的线索。

纳穆尔解释说，“我们相信钻石可能已经被两个过程形成。第一个是岩浆海洋的结晶过程，但这个过程可能只贡献到在核/地幔界面形成一层非常薄的钻石层。其次和最重要的是水星的金属核的结晶” 。纳穆尔说，当水星在大约45亿年前形成时这颗行星的核是完全液态的，随着时间逐渐结晶。目前，在内核中形成的固相的确切性质是不很好知道的，但该团队相信这些相一定是低碳或“贫碳”的。

他继续说道，“结晶前的液核包含一些碳，因此结晶导致在残余熔体中的碳增富，在某个点上一个可溶解度阈值达到，这意味着液体不能溶解更多的碳，而钻石形成” 。
  钻石是一种致密的矿物，但密度不像金属一样，这意味着在这个过程中它会已经漂浮到核的顶部，在水星的核和它的地幔的边界停止。这会已经造成一个约0.62英里（1公里）厚的钻石层的形成，然后随着时间继续生长。

随信使号宇宙飞船历史性的首次飞越水星，飞船获得了水星的阳光照射部分的马赛克。 (Image credit: NASA/JHUAPL/CIW)

这一发现突显最靠近太阳的行星的诞生当与太阳系的其他岩石行星金星、地球和火星的创造时之间的差异。

纳穆尔补充道，“水星离太阳远更近形成，可能的从一个富含碳的尘埃云。因此，水星比其他行星包含更少的氧和更多的碳，这导致了一个钻石层的形成。然而，地球的核也包含碳，在地球的核中钻石的形成已经被各种研究人员提出” 。

研究人员希望这一发现可以帮助揭示一些围绕太阳系的最小行星的其他秘密，包括为什么它的火山相在大约35亿年前被缩短。

纳穆尔说，“我有的关于水星演化的一个主要问题是为什么火山活动的主要阶段只持续了几亿年，比其他岩石行星远更短。这一定意味着这颗行星非常快的冷却。这部分的被相关到该行星的小尺寸，但我们现在正工作在与物理学家合作来试图了解是否一个钻石层可能已经贡献到非常快热去除，因此非常早终止主要火山活动” 。

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纳穆尔说，该团队的下一步将是来调查在地幔/核边界处一个钻石层的热效应。这项研究可能被将跟随信使号脚步的使命的数据支持。

纳穆尔总结道，“我们也正在热切等待由别皮克伦博（BepiColombo）收集的第一批数据，希望是在2026年，来精炼我们的水星的内部结构和演化的理解”。

该团队的研究发表在《Nature Communications》上.